1、 內容提綱內容提綱1234研究背景研究背景1.1并聯機器人發展現狀并聯機器人發展現狀 國內外學術界和工程界對研究和開發并聯機國內外學術界和工程界對研究和開發并聯機床都非常重視。床都非常重視。 我國已在國家我國已在國家“九五九五”科技攻關計劃和科技攻關計劃和“863”高技術發展計劃中對并聯機床的研究與開發予以高技術發展計劃中對并聯機床的研究與開發予以支持。支持。 研究背景研究背景1.2 繩驅動機器人繩驅動機器人繩驅動機器人是一種特殊的并聯機器人由繩驅動機器人是一種特殊的并聯機器人由Stewart Platform 發展而來。發展而來。 優點：優點：大工作空間大工作空間 、低慣性低慣性 、簡單的結

2、構簡單的結構 、重調整和可移動性重調整和可移動性 、完全分離的傳動完全分離的傳動 研究背景研究背景幾種不同的驅動機器人幾種不同的驅動機器人 BETA 機器人機器人 DISH 機器人機器人 DELTA 機器人機器人研究背景研究背景下圖是要研究的下圖是要研究的DeltaBot的的2D形式形式 ：特點：特點：并非采用絞盤做驅動器, 而是用搖臂作為改變繩長的方法, 雖然縮小了工作空間,但是使得機器人運動速度得以保證.研究背景研究背景1.3總結總結: 機器人(機械臂)作為新興的學科，近幾十年有著很快的發展。從最初的多關節多自由度的串連機器人，到Stewart Platform， 到柔性連接的繩驅動機器人

3、，機器人的應用領域不斷擴大，性能也逐漸增強。 目前，國內外關于并聯機器人的研究主要集中于機構學、運動學、動力學和控制策略研究等幾個領域。其中并聯機器人的機構學與運動分析主要研究并聯機器人的運動學問題奇異位形、工作空間和靈巧度分析等方面。機構設計與分析機構設計與分析 2.1并聯機構的運動學分析并聯機構的運動學分析正向運動學正向運動學逆向運動學逆向運動學-已知輸入操作臂的變量，求解運動平臺對應這些輸入的位置-已知的運動平臺位置參變量，求解對應這些輸出的操作臂變量機構設計與分析機構設計與分析坐標系的建立坐標系的建立 機構設計與分析機構設計與分析正向運動學正向運動學1機構設計與分析機構設計與分析逆向運

4、動學逆向運動學對于這個機器人來說，就是已知1 , 2 ，求解平臺的坐標（x,y）機構設計與分析機構設計與分析 2.1工作空間工作空間并聯機器人相對于串連機器人有著很多的優勢，但是對于工作空間，并聯機器人要遠遠小于串連機器人 最大工作空間的分析最大工作空間的分析限制條件下隨機參數的工作空間限制條件下隨機參數的工作空間 工作空間優化設計工作空間優化設計機構設計與分析機構設計與分析最大工作空間的分析對于每一條腿的最大工作空間就是以AC+PC 為半徑，以A 點為圓心的一個圓，而對于整個機器人來說，最大工作空間就是兩個圓的相交部分 機構設計與分析機構設計與分析限制條件下隨機參數的工作空間限制條件下隨機參

5、數的工作空間 機構設計與分析機構設計與分析工作空間優化設計 蒙特卡羅方法蒙特卡羅方法 :對于兩自由度機器人來說，蒙特卡羅最優化方法的應用過程如下:1.隨機抽取 a，b，L，l 設定為初值2.在以 AC+PC 為半徑相交區域隨機抽取1000 個點(X，Y，Z)3.將每個點代入逆向運動學方程中檢驗，保證可以求得實數解4.如果滿足就認定這個點是工作空間中的一個點。5.記錄 2-4 過程中屬于工作空間點的個數 再進行步驟 1， 隨機設定參數的值，進行 2-4 的分析，上述過程進行足夠多的次數， 選擇工作空間點最多的一組做為最終的最優化參數, 可以應用 MATLAB 進行編程計算。 因為并聯機器人的弊端

6、就是工作空間相對較小，所以最優化參數使得工作空間最大化就是非常重要的問題。機構設計與分析機構設計與分析 2.2數值實例基本參數如下：a=300b=340l=420L=1000現假設移動平臺的 P 點坐標的運動軌跡為:（50，-350）（100，-400）（50，-450）（0，-500）(-50,-550) (-100,-600) 機構設計與分析機構設計與分析三次樣條插值（簡稱三次樣條插值（簡稱Spline插值）插值） 機構設計與分析機構設計與分析 2.3繩的張緊性以及支架力的分析繩的張緊性以及支架力的分析 外力容量對于一個繩驅動機器人來說，使其保持剛性的臨界外部負載(力和轉矩)因為繩是柔性物

7、體，所以要保證機器人在運動過程中的剛性就必須使繩處處張緊 張緊性：一個繩驅動控制器可以被稱作張緊在一個給定的姿態當且僅當任意的外部負載存在一個有限的支架力和一組有限的繩張力來使控制器剛性剛性。 機構設計與分析機構設計與分析外力及支架力和繩中力的示意圖外力及支架力和繩中力的示意圖 平衡方程為: 機構設計與分析機構設計與分析力容量以及外力圓的示意圖力容量以及外力圓的示意圖 力容量就是移動平臺可以提供的一組使得所有繩都處于張緊狀態的的集合。即: 最終計算：nwuuFis)(2f21max0,u/212211TTFuTTS2 , 1nf2 , 1f2 , 1nmaxmaxiiwFiFwnFisise得

8、到：其中 n是面的指向外部的法向向量， 是使得圓與三角形第i 個邊相切的支架力 機構設計與分析機構設計與分析 2.4機器人動力學分析目的目的 在給定的軌跡下，通過控制輸入轉矩來使得移動平臺按照需要的加速度移動 首先，設計機器人部件的時候需要用到動力學分析，因為如果沒有動力學模型，很難知道轉矩的大小，因此就很難選擇電機，設計主軸等，選擇軸承等。其次，動力學模型是實現控制的最基本的理論。知道了動力特性才能設計控制方案。 機構設計與分析機構設計與分析牛頓牛頓- -歐拉方程歐拉方程 cVf = mVc能量守恒定律的應用能量守恒定律的應用令 yxeffF,為機器人的輸出力(只有移動自由度)。令 21,為

9、相應的關節輸入轉矩。 yx,X輸出力的虛位移 21,q為輸入轉矩的虛角位移。 0qXFWTiTXJqXJqeTiFJ1機構的建模機構的建模 本設計利用本設計利用Solidworks建模，繪制零件三維圖。建模，繪制零件三維圖。Solidworks是美國是美國Solidworks公司基于公司基于Windows平臺平臺開發的全參數化三維實體造型軟件，具有強大的零件開發的全參數化三維實體造型軟件，具有強大的零件設計、鈑金設計、管理設計、繪制二維工程圖、支持設計、鈑金設計、管理設計、繪制二維工程圖、支持異地協同工作等功能，可以實現由三維實體造型向二異地協同工作等功能，可以實現由三維實體造型向二維工程圖的轉化，能夠使零件設計、裝配設計和工程維工程圖的轉化，能夠使零件設計、裝配設計和工程圖保持全時間的相關和同步。圖保持全時間的相關和同步。 三維建模：三維建模：機構的建模機構的建模仿真圖：仿真圖